索尼开发了 业界首款采用SPAD像素的用于汽车LiDAR的堆叠式直接飞行深度传感器* 1

发布时间:2021-03-26

日本东京-索尼公司今天宣布已开发出业界首款采用单光子雪崩二极管(SPAD)像素的用于汽车LiDAR的堆叠式直接飞行时间(dToF)深度传感器。* 1此成就是在2021年2月13日开幕的国际固态电路会议(ISSCC)上宣布的。

  • * 1在用于汽车激光雷达的堆叠式深度传感器中。截至2021年2月18日宣布。

除了诸如摄像机和毫米波雷达之类的传感设备之外,LiDAR作为一种高精度检测和识别方法,不仅对道路状况而且对诸如车辆和行人之类的物体的位置和形状也越来越重要。高级驾驶员辅助系统(ADAS)的普及以及自动驾驶(AD)对该技术的需求正在推动这一趋势。

SPAD是一种像素结构,它使用雪崩倍增来放大单个入射光子中的电子,引起像雪崩一样的级联,甚至可以检测到弱光。通过将SPAD用作dToF传感器中的检测器,可以完成长距离,高精度的距离测量,该dToF传感器根据从光源发出的光的传播时间(时间差)来测量到物体的距离。直到被物体反射后返回传感器。现在,通过利用索尼的技术,例如背照式像素结构,堆叠配置和Cu-Cu连接* 2索尼致力于CMOS图像传感器的开发,并在单个芯片上实现SPAD像素和测距处理电路,因此,索尼成功开发出了紧凑而高分辨率的传感器。这样就可以以15厘米的范围分辨率进行高精度,高速的测量,最大距离为300米* 3新的开发还将帮助实现在恶劣条件下的检测和识别,例如汽车设备所需的各种温度和天气,从而有助于提高LiDAR的可靠性。实现单个芯片还有助于降低LiDAR的成本。

索尼还开发了一种配备有这项新技术的MEMS(微机电系统)* 4 LiDAR系统,用于评估目的,现已提供给客户和合作伙伴。

  • * 2当堆叠像素部分(顶部芯片)和逻辑电路(底部芯片)时,可通过连接的Cu(铜)焊盘提供电连续性的技术。与贯通硅通孔(TSV)布线相比,在这种情况下,连接是通过围绕像素区域周围插入的电极实现的,该方法提供了更多的设计自由度,提高了生产率,允许更紧凑的尺寸并提高了性能。
  • * 3在阴天条件下使用6 x 6像素(H x V)的加法模式测量高度为1米,反射率为10%的物体时。
  • * 4“ MEMS”是使用微制造技术将各种组件集成在单个基板上的设备。该LiDAR使用一种利用MEMS反射镜扫描从光源发出的光的方法。
新开发结构图

SPAD像素原理

在dToF深度传感器上,SPAD能够检测单个光子。向SPAD像素中的电极施加击穿电压(VBD)* 5,并让设置超过击穿电压的过量偏置电压(VEX)* 6的光子放大,从而通过雪崩倍增放大光电转换中产生的电子。当电极之间的电压下降到击穿电压时,雪崩倍增停止。在通过雪崩倍增产生的电子被放电并返回到击穿电压(淬灭作用)之后,电极之间的电压再次被设置为过量的偏置电压,从而能够检测下一个光子(再充电作用)。由光子的到达触发的电子的这种倍增作用被称为盖革模式。

  • * 5雪崩倍增开始时的电压
  • * 6超过击穿电压(VBD)的电压
SPAD像素原理(电流/电压)
雪崩乘法的插图

主要特点

1)在15厘米范围内的高分辨率测量,最大距离为300 m

这项新技术采用了背照式SPAD像素结构,该结构使用Cu-Cu连接来实现像素芯片(顶部)和配备测距处理器电路(底部)的逻辑芯片之间每个像素的导通。这允许将除掺入光的像素以外的所有电路都放置在底部的配置,从而导致高开口率* 7和高22%* 8光子检测效率。即使具有紧凑的芯片尺寸,在10μm的像素尺寸下仍可实现约110,000个有效像素(189 x 600像素)的高分辨率。这使得能够以15厘米的距离分辨率进行长达300米的高精度距离测量,从而有助于提高LiDAR的检测和识别性能。

  • * 7从光入射侧观察的每个像素的开口部分(遮光部分以外的部分)的比率。
  • * 8当普通汽车激光雷达中使用的905 nm波长激光投射在物体上时。
光子检测效率和波长
点云(左:常规LiDAR,右:具有新开发的LiDAR)

2)使用索尼原装的时间数字转换器(TDC)和无源淬灭/充电电路实现高速响应

索尼开发了其原始的时间数字转换器(TDC),该转换器将检测到的光子飞行时间转换为数字值,并开发了原始的无源淬灭/充电电路,并将其与每个像素的Cu-Cu连接一起使用,从而使其成为可能。在正常条件下,可以将每个光子的响应速度提高到6纳秒* 9高速测距处理通过实时检测和识别周围环境,有助于提高驾驶安全性。

  • * 9在60°C的温度环境中。

3)恶劣条件下稳定的光子检测效率和响应速度

索尼独有的SPAD像素结构即使在-40℃至125℃的严酷条件下也能实现稳定的光子检测效率和响应速度,从而有助于提高LiDAR的可靠性。

光子检测效率和工作温度
响应速度和工作温度

关键规格

SPAD像素总数 约189 x 600像素(H x V)110,000像素
图片大小 对角线6.25毫米(1 / 2.9型)
推荐光源波长 905纳米
SPAD单位像元大小 10微米x 10微米
元素大小(ToF像素单位) 3 x 3像素(H x V)
能量消耗 1,192兆瓦
光子检测效率 22%
响应速度 6纳秒
饱和信号量(最大计数率) 60,000,000 cps
最大限度。检测距离 300米
300 m时的距离精度 3 x 3像素(H x V)附加模式:30厘米
6 x 6像素(H x V)附加模式:15厘米